如何用MCU设计可穿戴电子产品

      “可穿戴”设备是指人体可穿戴 的微型电子产品,通常与现有配饰(如手表)集成或者取而代之。在物联网技术的支持下,该细分市场正迅猛发展,因此对于更小型化、更直观的设备的需求也在快 速提升。目前,智能手表、智能眼镜以及体育与健身活动跟踪器等体现出这一发展趋势。除了消费类市场之外,医疗行业也对身体状况与功能的监控设备有着更高的需求。

  可穿戴设备中最重要的电子组件就是微控制器(MCU)。由于这些MCU不但需要尺寸小,而且还需要执行更多功能,因此,集成成为了另一大要素。我们将会在本文中探讨可穿戴电子系统的不同需求、如何根据有关需求细分市场、典型可穿戴设备中的不同组件和MCU如何满足相关需求。

  可穿戴设备的需求

  美观:可穿戴设备需要时尚漂亮,而且需要能够搭配当前的时尚配饰,如装饰品、手表、眼镜等。美观非常重要,以至于英特尔等半导体巨头都在同时尚行业携手打造时尚设备。

  电容式触摸感应技术是提高美感的关键技术。电容式用户界面需要支持各种外形(包括曲面)、能够防液体,以及支持厚的覆盖层感应等。赛普拉斯的CapSense和TrueTouch技术使此类需求变得切实可行。

  尺寸:如前所述,这种器件必须做到尺寸小,以便轻松集成到可穿戴设备。不过与此同时,设备还应当在相同空间集成更多功能。片上系统(SoC)和 芯片级封装(CSP)等技术有助于缩小尺寸。例如,赛普拉斯可以提供采用WLCSP等多种封装选项的可编程片上系统(PSoC)器件。

  防水:可穿戴设备会被用户带到任何地方。因此,关键是这些设备的设计能够抵抗环境条件,如水滴、湿气、汗液等。

  功耗:由于可穿戴设备是由电池供电,因此降低其功耗存在特殊挑战。由于可穿戴设备大部分是监控设备,与其它移动设备不同的是,它需要始终打开并且保持连接。例如,智能手表需要始终显示时间,并通过蓝牙等无线方式连接到手机,以便接收提醒;计步器需要一直计算步数并向手机应用报告;同样,心率监控 器需要一直提供监控和报告。不过由于设备需要降低整体尺寸,因此会从内在限制电池容量。

  这些设备需要以超低功率运行,以延长电池使用寿命。此项需求对MCU与固件算法提出了特殊要求。32位ARM架构是可穿戴设备常用的CPU技术,因为它能提供最佳性能与高能效。另外可设计采用ANT+、低功耗蓝牙(BLE)等无线技术实现低功耗。

  无线通信:无线连接对于可穿戴设备而言非常重要,因为后者需要与一个或多个设备进行交互。根据类型和所提供的功能,此类设备需要支持不同的无线协议,如Wi-Fi、ANT+、BLE、基于IEEE 802.15.4的专有协议等。一些设备需要支持多种协议。例如某种腕表采用专有无线协议与心率监控胸带通信,同时采用BLE与手机中的跑步应用进行通 信。

  选择适当的应用处理器或微控制器

  除了需要应用处理器的高级信息娱乐设备之外,MCU可以充分满足大多数可穿戴设备的需求。另外,最新MCU可在单个芯片中集成大部分功能。这对降低可穿戴设备的整体尺寸和BOM成本都具有重要作用。

  举例来说,ARM cortex-M控制器可以驱动简单的腕带,但是智能手表需要采用应用处理器,以便运行Android等复杂的操作系统。

  如前所述,32位ARM处理器在可穿戴设备中非常受欢迎,因为其能够提供最佳性能与高能效。PSoC等现代控制器利用ARM架构的功能优势在单个芯片中集成了高级模拟和可编程数字功能,同时还采用ARM cortex-M内核等。

  一些高级设备采用独立的协处理器把传感器数据处理工作从主处理器上转移出来。之所以需要这么做是因为设备可能具有需要实时分析以及CPU支持的传感器数据负载。此功能称为“传感器集线器”或“传感器融合”。图1说明了传感器集线器在可穿戴系统中的作用。
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               图1:传感器集线器在可穿戴系统中的作用。

  操作系统:根据类型和所提供的功能,可穿戴设备可能需要、也可能不需要特定的操作系统。例如一个用于监测温度、采用3轴加速计测量运动以及用单 色段式LCD显示时间的简单腕表可以运行轻量型RTOS,而用于扩展手机功能的智能手表需要运行Android等高级操作系统。同时,传感器集线器需要具有上下文感知算法的特殊固件。

  市场细分

  正确的市场细分使设计人员能够开发合适的产品,同时帮助用户选择最佳设备。表1根据设备功能列出了不同的细分市场。表格按细分市场的复杂性自上而下增加。

  表1:可穿戴设备的市场细分
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  可穿戴电子设备中的组件

  图2给出了可穿戴系统的方框图,该系统包含了我们前文所述的所有功能。

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                                图2:可穿戴电子系统

  根据所采用的主处理器的类型,可以在单个处理器芯片中集成更多的外设功能。举例来说,大部分的PSoC器件都可以轻松集成电容式感应功能,并且 无需单独的触摸控制器。同样,基于赛普拉斯Cortex M0的PSoC4集成了LCD驱动器。图3给出了智能手表的方框图,这是第一代可穿戴设备的典型例子。

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                         图3:典型的智能手表系统

  可穿戴设备的重要子系统是数据采集或传感器子系统。根据器件的类型,其可能是只有几个MEMS传感器的简单系统,也可能是采用专用传感器集线器 连接相关传感器的复杂系统。MEMS传感器在用于监控人体各方位运动的健身和健康设备中发挥着关键作用。这些传感器又称为运动传感器。所有这些传感器都是通过I2C或SPI通信接口提供数字式运动信息。此类传感器的示例包括3轴加速计、陀螺仪、磁力计和气压高度表。

  模拟传感器广泛用于医疗保健设备中。此类传感器示例包括心率监控器、EEG等生物计量传感器。模拟传感器需要称为模拟前端(AFE)的特殊组 件。AFE包含运算放大器、滤波器和ADC,其用于将模拟信号调节并转换成数字信号,以便于CPU处理。该功能有时可与CPU集成(比方说PSoc的设计 就使得其通信功能可以直接用作传感器集线器)。

  还有一个重要的子系统是用户界面(UI)系统。用户如何与可穿戴设备交互是极其重要的考虑因素。为了最大限度地降低复杂性,交互应当尽可能地直观。电容式触摸感应是目前最直观的UI.根据相关应用的不同,可以采用多种方式实现电容式UI,如触摸屏、按键与滑条等。

  LED、蜂鸣器和振动电机等UI元件可以帮助实现设备向用户提供的提醒与反馈。举例来说,如图3所示的智能手表设计连接到手机,需要在有消息时提醒用户。

  脉宽调制(PWM)对驱动这些元件的关键。PWM可用于实现调光等各种LED效果,而且还能提供实现触觉反馈的各种振动效果。如果在固件中实现,这些技术需要精确的定时和频繁的CPU处理。因此,关键是选择支持硬件PWM的处理器/控制器
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